口炎是口腔黏膜的炎癥性疾病，表現(xiàn)為黏膜的紅腫、疼痛、潰瘍、糜爛或水皰等癥狀，在口腔內(nèi)部多表現(xiàn)為潰瘍發(fā)作。其中，細(xì)菌感染性口炎（Bacterial infectious stomatitis，BIS）的致病因素多為鏈球菌、葡萄球菌等細(xì)菌。作為一種相對常見的口炎，其治療策略一直是口腔醫(yī)學(xué)研究的重點之一。目前，BIS的治療策略與口腔潰瘍相似，即以對癥治療為主，以消除病因、緩解疼痛、控制感染、促進(jìn)愈合為核心思路。其中，以藥物治療最為常見，如使用氯己定、地塞米松、利多卡因等。
然而，由于口腔內(nèi)環(huán)境始終處于高度動態(tài)變化中，微生物的種類復(fù)雜數(shù)量多，以及潰瘍表面假膜形成的屏障，這三點因素對藥物治療的效果造成了顯著的影響。 水凝膠因具有高含水量、良好的生物相容性、易于修飾改性以及能與多種藥物兼容等優(yōu)勢，在BIS的治療中逐漸嶄露頭角。可以根據(jù)BIS及口腔環(huán)境的特性對水凝膠的性能進(jìn)行針對性調(diào)整，使其更契合BIS的治療要求。例如提升水凝膠的黏附特性以對抗高度動態(tài)的口腔環(huán)境，降低水凝膠的藥物釋放速度以保證藥物長期利用率等。同時，為了進(jìn)一步提升水凝膠對于BIS的治療效果，可將其制成微針貼片，在無痛無血、快速便捷的前提下，有效提升藥物的遞送效率和水凝膠黏附于治療部位的穩(wěn)定性。
近期，蘭州大學(xué)口腔醫(yī)學(xué)院范增杰教授團(tuán)隊設(shè)計開發(fā)了一種具有果蠅仿生特性的水凝膠仿生微針貼片，用于BIS的高效治療。該微針貼片制備所使用的模板是由摩方精密面投影微立體光刻（PμSL）技術(shù)（microArch? S230，精度：2μm）加工而成的。相關(guān)研究成果以“Bionic Microneedle Patch Inspired by Drosophila Tarsal Paws Boosts Healing in Bacterial Infectious Stomatitis”為題發(fā)表在國際知名學(xué)術(shù)期刊《Advanced Science》上。蘭州大學(xué)口腔醫(yī)學(xué)院碩士研究生覃佳綺為第一作者，蘭州大學(xué)口腔醫(yī)學(xué)院范增杰教授、劉斌教授和張潔教授為共同通訊作者。
果蠅是一種體型較小的雙翅目果蠅科昆蟲，其足部被稱為跗爪，形似吸盤，長有大量剛毛。跗爪的這種結(jié)構(gòu)為果蠅提供巨大的吸力，使其能在各種表界面上穩(wěn)定站立及行走。受到果蠅跗爪結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，作者設(shè)計了一種具有仿生特性的吸盤式水凝膠微針貼片。首先，選擇聚乙烯醇（PVA）和羧甲基纖維素鈉（CMC-Na）為基質(zhì)材料。PVA能與口腔粘膜形成有效的化學(xué)鍵，確保仿生微針貼片在潮濕的口腔環(huán)境中與組織界面形成有效的黏附；而CMC-Na可以有效改善PVA的機(jī)械性能和降解性能，使仿生微針貼片可以順利刺入組織中。
其次，向其中加入S-亞硝基谷胱甘肽（GSNO）和季銨鹽殼聚糖（HACC）。這一方面可以使仿生微針貼片釋放一氧化氮（NO）以改善BIS的高炎性微環(huán)境，另一方面可以提升仿生微針貼片的抗菌性能。最后，將聚（N-異丙烯酰胺）（PNIPAM）這種智能溫度響應(yīng)性材料加入基質(zhì)材料中，僅在生理性溫度條件下控制GSNO釋放的同時，自身產(chǎn)生收縮形變以帶動創(chuàng)面愈合。以上多種因素共同產(chǎn)生作用，協(xié)同促進(jìn)BIS的高效治療。
圖1. 研究示意圖。
研究團(tuán)隊使用摩方精密microArch? S230（精度：2μm）制備了微針的主模板并根據(jù)此模板依次制備了相應(yīng)的PDMS模板與仿生微針貼片（圖1-A）。初步驗證了仿生微針貼片的溫敏特性與穿刺效果后（圖1-B，C）并進(jìn)行后續(xù)實驗。
圖2. 仿生微針貼片的特性。
對仿生微針貼片的形貌、組分與基礎(chǔ)理化性能進(jìn)行了表征。發(fā)現(xiàn)仿生微針貼片的針尖均集中在吸盤內(nèi)部，與果蠅跗爪的結(jié)構(gòu)高度相似（圖3-A）。傅里葉變換紅外光譜（FTIR）和X射線衍射的圖譜均證明了材料中各組分均存在（圖3-B，C）。溶脹與降解實驗的結(jié)果顯示，仿生微針貼片的溶脹水平與HACC的含量成正比，但降解速率與HACC的含量成反比（圖3-D，E）。用于治療BIS的材料體系應(yīng)當(dāng)同時具有較低的溶脹水平和較慢的降解速率，因此，HACC含量適中的兩組用于后續(xù)研究的潛力相對更高。
圖3. 仿生微針貼片的形貌、組分與基礎(chǔ)理化性能表征。
對仿生微針貼片的熱響應(yīng)、力學(xué)與NO釋放性能進(jìn)行了進(jìn)一步研究。首先發(fā)現(xiàn)仿生微針貼片的熱響應(yīng)特性（基于溫度變化引發(fā)的體積變化）與HACC的含量成反比（圖4-A）。其中，HACC的含量較低的一組的體積變化較明顯，這是材料降解過快導(dǎo)致的。其次對仿生微針貼片的拉伸、壓縮性能進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)HACC含量適中的那一組綜合來說較好（圖4-B，C，D，E）。同時對仿生微針貼片的黏附性能進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)水凝膠吸盤結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的黏附力顯著大于單純水凝膠所產(chǎn)生的黏附力，這充分展示了具有仿生特性的水凝膠吸盤的優(yōu)越性（圖4-F，G，H，I）。最后對仿生微針貼片的NO釋放性能進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)在生理性溫度（~37℃）及偏酸性的環(huán)境條件下，即類似BIS病損區(qū)域的環(huán)境條件下，GSNO含量較高的仿生微針貼片能長時且穩(wěn)定地釋放NO，有效調(diào)節(jié)BIS病損區(qū)域的炎性微環(huán)境（圖4-J，K，L）。
圖4. 仿生微針貼片的力學(xué)、熱響應(yīng)與NO釋放性能。
對仿生微針貼片的抗菌性能進(jìn)行了研究。發(fā)現(xiàn)HACC和GSNO均能有效降低金黃色葡萄球菌（S.aureus）與大腸桿菌（E.coli）的生存率。掃描電鏡顯示，HACC和GSNO通過對細(xì)菌的細(xì)胞膜造成傷害以破壞細(xì)菌，進(jìn)而發(fā)揮抗菌效果。
對仿生微針貼片的生物相容性和抗炎效果進(jìn)行了研究。所有實驗組的細(xì)胞存活率均高于80%，證明均無毒無害。而ELISA試驗則證明了仿生微針貼片（NACH2G0.2）對IL-6與TNF-α的抑制效果要顯著高于商用潰瘍凝膠（OUG）。
建立了BIS模型大鼠，以研究仿生微針貼片在體內(nèi)環(huán)境下對BIS的治療效果。在為期六天的治療過程中，仿生微針貼片（NACH2G0.2）組的潰瘍創(chuàng)面愈合速度不僅顯著高于未經(jīng)任何處理的Control組，還顯著高于商用潰瘍凝膠（OUG）組。
最后通過免疫熒光染色進(jìn)一步研究了仿生微針貼片在體內(nèi)環(huán)境下對BIS的治療效果。其中，CD11b，IL-6與TNF-α這三種標(biāo)記物用于評價仿生微針貼片調(diào)節(jié)炎癥水平的效果；而CK-5與CK-13這兩種標(biāo)記物用于評價仿生微針貼片促進(jìn)組織再生的效果。仿生微針貼片（NACH2G0.2）組的炎癥調(diào)節(jié)與組織新生水平要顯著高于其他所有組，與先前的實驗結(jié)果均相匹配。
總結(jié)：研究團(tuán)隊以果蠅跗爪的結(jié)構(gòu)為線索，設(shè)計制備了一種仿生微針貼片。仿生微針貼片的主要成分為黏附、溫敏性水凝膠，其結(jié)構(gòu)為微針針尖和吸盤。仿生微針貼片針對BIS的獨(dú)特微環(huán)境量身定制，以“濕環(huán)境穩(wěn)定黏附+NO智能可控釋放+細(xì)菌高效抑制+機(jī)械收縮促進(jìn)愈合”這些優(yōu)越性能，促進(jìn)BIS的高效愈合。
原文鏈接：https://doi.org/10.1002/advs.202500432
